本发明涉及风力发电领域，具体涉及一种风速前馈与模糊pid结合的变桨控制方法。
背景技术：
伴随着越来越多的国家开始积极的减排，风力发电被越来越多的国家所看重。为了确保风力发电机组在额定风速以上能安全稳定运行，通常通过变桨距的方式限制风力发电机组吸收的功率，即通过改变桨距角的大小来改变风力发电机组的风能利用系数，使机组的输出功率在额定值附近。
传统pid控制技术难以在大惯性、强耦合的风力发电机组中取得较好控制效果。通过误差阈值切换模糊控制器与pid控制器是常用的一种方式，当误差大于设定的阈值时，采用模糊控制器对系统进行控制，当误差小于设定阈值时采用pid控制器。这种控制方式在切换点处直接切换控制器会导致桨距角输出不连续、给系统带来震荡的问题，且不能有效维持风力发电机组输出功率的稳定性。
技术实现要素：
为确保风力发电机组在额定风速以上能安全稳定运行，本发明提供一种风速前馈与模糊pid结合的变桨控制方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种风速前馈与模糊pid结合的变桨控制方法，包括以下步骤：
s1：将风力发电机组运行中的功率误差e和功率误差变化率ec输入至模糊控制器,得到模糊控制器的输出βfc；
s2：将所述功率误差e输入至pid控制器，得到pid控制器的输出βpid；
s3：将所述模糊控制器的输出βfc和所述pid控制器的输出βpid进行平滑切换处理，得到输出值平滑切换桨距角β1；
s4：当风速超过额定风速时，启动前馈模糊控制器，将风速v和风速的差值δv输入至所述前馈模糊控制器，得到输出值前馈桨距角β2；
s5：将所述平滑切换桨距角β1和所述前馈桨距角β2之和β3输入到变桨执行机构，对风力发电机进行调桨控制。
进一步的，所述平滑切换处理的输出为：
β1＝θ·βfc+(1-θ)·βpid
式中，β1为平滑切换的输出；βfc为模糊控制器的输出；βpid为pid控制器的输出；θ为平滑因子。
更进一步的，所述平滑因子θ的函数模型为：
式中，x1、x2为临界点；e为功率误差；δ为波形系数。
进一步的，所述模糊控制器的控制方法为：所述功率偏差e小于额定功率的10％，所述模糊控制器的输出βfc的基本论域为[-6°，6°]，所述功率误差e的量化因子ke＝0.03，所述功率误差变化率ec的量化因子kec＝0.015，所述模糊控制器的输入和输出的物理论域都为{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}，模糊子集为{nb,nm,ns,zo,ps,pm,pb}采用平滑高斯型隶属函数，重心法去模糊。
进一步的，所述pid控制器采用增量式pid，
式中，kp为比例系数；ki为积分系数；kd为微分系数；t为采样周期；k为采样序号，k＝1，2，3，….；e(k-1)和e(k)分别为第k-1和第k时刻的偏差信号；u(k)为控制器输出；
δu(k)＝kp(e(k)-e(k-1))+kie(k)+kd(e(k)-2e(k-1)+e(k-2))
式中：δu(k)为k-1时刻与k时刻控制器输出的变化量。
进一步的，所述前馈模糊控制器的控制方法为：所述风速v的基本论域为[13m/s,25m/s]，其对应的模糊论域为{1,2,3,4,5}，对应的模糊子集为{lh,rh,h,vh,eh}。
进一步的，所述风速的差值δv的基本论域为[-3m/s，3m/s]，其对应的模糊论域为{-3,-2,-1,0,1,2,3}，模糊子集为{nb,nm,ns,zo,ps,pm,pb}。
进一步的，所述风速的差值δv为±3m/s时，所述前馈桨距角β2的增量变化范围为[-4°，4°]，其对应的的模糊子集和模糊论域分别为{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}和{nb2,nb1,nm2,nm1,ns2,ns1,zo,ps1,ps2,pm1,pm2,pb1,pb2}。
进一步的，所述前馈模糊控制器的输入输出隶属函数均采用三角隶属函数，去模糊化方法采用重心法。
相比现有技术,本发明具有如下有益效果：
本发明在模糊控制器与pid控制器切换时采用平滑切换软开关的形式。通过采用平滑函数，依据功率误差的大小实时调整模糊控制器与pid控制器输出所占比重，避免了控制器直接切换造成的输出不连续问题，有效维持了系统输出的稳定性。
该方法减少了控制器切换对系统造成的影响，且通过风速前馈的方式实时改变桨距角度，提高了系统的响应性。
该方法在功率误差较大时利用模糊控制的快速性提高了系统的响应，在功率误差较小时利用pid控制器的精确性弥补了模糊控制稳定时存在静差的问题。
附图说明
图1为本发明系统控制结构图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明的技术方案为依据开展，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。
如图1是本发明系统控制结构图，其中，p为风力发电机组实际功率，p*为风力发电机组额定功率，p与p*的差值为功率误差e，δv为当前时刻风速与前一时刻风速的误差，β1为平滑切换桨距角，β2为前馈桨距角，β3为最终输入到变桨执行机构的角度，β3为β1与β2的和。
模糊控制器，将功率误差e和功率误差变化率ec作为二维模糊控制器的输入，得到模糊控制器的输出βfc。e、ec和βfc的模糊子集设定为{负大(nb),负中(nm),负小(ns),零(zo),正小(ps),正中(pm),正大(pb)}。根据变桨功率控制要求，功率偏差小于额定功率的10％，即±200kw，βfc的基本论域为[-6°，6°]，故输入量功率误差e的量化因子为ke＝0.03，功率误差变化率的量化因子为kec＝0.015，使得输入和输出变量的物理论域都为{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}。
为保证功率输出的平稳性，采用平滑的高斯型隶属函数，重心法来去模糊。
平滑切换处理的输出为：
β1＝θ·βfc+(1-θ)·βpid
式中，β1为平滑切换的输出；βfc为模糊控制器的输出；βpid为pid控制器的输出；θ为平滑因子。
根据不同场合的不同需要，选择合适的平滑因子θ，其函数模型为
式中，x1、x2为临界点；e为功率误差；δ为波形系数。
当|e|<x1时，θ＝0，pid控制器起全部作用；当|e|>x1时，θ＝1，模糊控制器起全部作用；当x1<|e|<x2，θ在0～1内取值。不同的δ值有不同的控制效果，可根据需求选取合适的δ值。当δ越小时，在过渡区域中，随着误差e增大，θ迅速变大，模糊控制器起主要作用；当δ越大时，在过渡区域中，随着误差e增大，θ缓慢增大，pid控制器起主要作用，当误差e足够大时，模糊控制器迅速起着主要作用。本发明取过渡区域为[0.35，2]，误差e的量化因子为2×10-4，δ＝-10。误差e折算后，当e＜0.35时，pid控制器起全部作用；当e＞2时，模糊控制器起全部作用；当e介于0.35～2时，pid控制器和模糊控制器共同作用，且对应的平滑因子θ随误差e的改变而改变。
前馈模糊控制器，风力发电机组是一个大惯性、非线性的系统，且变桨机构的执行需要一定时间，故采用了风速前馈方式以提高系统的响应速度。
通过机舱顶部的风速仪可以测到实际风速v，然后根据不同时刻的风速v(k)给出合适的前馈桨距角β2。
该前馈模糊控制器有前一时刻的风速v(k-1)和当前时刻与前一时刻风速的差值δv两个输入量，与前馈桨距角β2一个输出量。
风速的基本论域为[13m/s,25m/s]，模糊论域为{1,2,3,4,5}。对应的模糊子集有稍高(littlehigh)、较高(relativehigh)、高(high)、很高(veryhigh)、非常高(extremelyhigh)，分别简写为{lh,rh,h,vh,eh}。
风速的增量δv的基本论域为[-3m/s,3m/s]，其对应的模糊论域为{-3,-2,-1,0,1,2,3}，模糊子集为{nb,nm,ns,zo,ps,pm,pb}。
桨距角的增量变化范围为[-4°，4°]，为达到较精确的控制效果，输出量的模糊子集和模糊论域分别为{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}和{nb2,nb1,nm2,nm1,ns2,ns1,zo,ps1,ps2,pm1,pm2,pb1,pb2}。模糊前馈控制器的输入输出隶属函数均采用简单的三角隶属函数，去模糊化方法采用重心法。
本发明提出的变桨控制方法不仅能对最大利用风能的捕获有很好的效果，而且可以提高整个风电系统的运行效率，同时还可以提高系统的稳定性。这种控制方法对整个机组的运作有着至关重要作用，能有效维持风力发电机组输出功率的稳定性。
以上实施例为本申请的优选实施例，本领域的普通技术人员还可以在此基础上进行各种变换或改进，在不脱离本申请总的构思的前提下，这些变换或改进都应当属于本申请要求保护的范围之内。